雷達壓制式干擾信號的研究與FPGA設計

創新者：龍 凱 龔 望 張 宇

雷達壓制式干擾信號的研究與FPGA設計

創新者：龍 凱 龔 望 張 宇

本文研究了雷達壓制式干擾基帶信號的FPGA設計與實現。使用直接數字式頻率合成器（DDS）技術產生正弦載波，再使用一系列的數字處理技術對載波處理得到噪聲壓制干擾信號。FPGA通過串口從上位機獲取控制參數，這些干擾波形在基帶單元的FPGA內計算生成，系統將根據控制參數產生對應的噪聲類型，最后經過脈沖信號調制、數模轉換、上變頻及功率放大，得到射頻噪聲壓制干擾信號。

自雷達問世以來，雷達對抗技術的研究持續至今。而隨著信息化戰爭的提出，雷達干擾和抗干擾的斗爭必將愈演愈烈。壓制干擾是一種使發射的大功率的噪聲信號經過敵方雷達接收天線進入敵方雷達接收機的干擾技術。雷達接收機系統內部存在無法消除的內部噪聲，內部噪聲一直是影響雷達性能的主要因素。雷達作用距離、發現概率、測量精度都是雷達性能的重要指標，壓制干擾的目的就是通過噪聲使敵方雷達不能正常工作，這是一種通用性很強的干擾技術，在雷達對抗中得到廣泛應用。壓制干擾對敵方雷達信息要求較低，使其得到廣泛應用。本文采用Xilinx Spartan3E-500E平臺實現壓制干擾的基帶信號。

壓制干擾系統整體設計

噪聲壓制干擾波形利用數字方式產生，最后進過DA變換、上變頻及功率放大控制后，得到射頻噪聲壓制干擾信號。壓制干擾系統主要由直接數字式頻率合成器（DDS）、窄帶白噪聲發生模塊、通信模塊以及其他稍次要的模塊組成。干擾波形在基帶單元的FPGA內計算生成，系統將根據控制參數產生對應的噪聲類型。

壓制干擾系統的具體設計

載波信號

一般來說，數字射頻系統實現的難度大，價格昂貴，所以實用的射頻系統大多都是模擬系統。由傅立葉級數可知，任何一個信號都可以由一連串的正弦信號經過疊加得到，所以選擇正弦信號作為壓制干擾載波信號。

常用的使用FPGA產生正弦波的方法主要是CORDIC算法和DDS技術。CORDIC是一種迭代算法，通過使用移位和加法求解函數值。DDS技術是一項關鍵的數字化技術。DDS主要由累加器、加法器、查找表組成，頻率控制字和相位控制字最終都映射到了對查找表地址控制上。查找表中存儲一個完整周期的正弦波數字信號，根據相位控制字和頻率控制字得到地址。運用DDS技術產生正弦波和使用CORDIC算法產生正弦波相比，DDS對輸出波形的頻率和相位控制更為方便，響應時間短，頻率分辨率高（與查找表深度有關），輸出信號穩定度高，即使在頻率改變過程中仍能夠保證輸出信號相位連續，易集成。DDS憑借這些優勢，超越了傳統頻率合成技術，在現代數字電子系統中得到廣泛應用。

M為頻率控制字，控制正弦波的頻率。P為相位控制字，對正弦波相位進行調整。累加器在時鐘沿觸發下，以步長M遞增，加法器把累加器的輸出值和相位控制字相加，得到正弦波新的相位。由于查找表中已存儲正弦波一個完整周期的采樣點，這些采樣點實際上就是正弦波在不同相位的采樣值。為了使加法器輸出值能與查找表一一對應，常常把地址控制參數的位寬設置成與查找表深度位寬一致。這樣直接數字式頻率合成器波的相位映射成了查找表的地址，查找表輸出相應輸入地址對應的數據，即為正弦波某相位的值。查找表地址計算方法：

輸出信號頻率fout計算方法：

圖1　DDS系統基本原理圖

fclk是查找表輸入時鐘頻率，n是查找表地址線位寬。

對于頻率控制字M固定不變，通常稱為點頻信號。在DDS輸出點頻信號的基礎上使頻率控制字在一定范圍內呈現周期性變化，就實現了掃頻信號。常用掃頻方式有線性掃頻、指數掃頻、三角掃頻，響應的頻率控制字以線性、指數、三角規律變化。

調頻信號，也可以利用DDS產生。用調制信號控制頻率控制字就可以實現調頻，掃頻也是一種線性調頻。

窄帶噪聲

根據極限中心定理知道隨機過程服從高斯分布。通信系統內的主要噪聲熱噪聲和散彈噪聲也叫做高斯噪聲。理想白噪聲的功率譜密度Pn（ω）在（）整個頻率范圍內都是均勻分布，為了使用白噪聲模型對實際噪聲做近似處理，只要噪聲功率譜寬度遠大于它作用的系統，在系統帶通范圍內功率譜密度基本是常數，這樣的噪聲就作為白噪聲處理。使用隨機過程來產生噪聲，常用的實現方法有物理方法和數學方法。物理法需要安裝物理隨機數發生器，隨機數發生器增加了額外的成本，也不利于FPGA實現。FPGA具有豐富的邏輯資源，使用數序方法產生隨機數更加方便。使用數學法產生的隨機數雖然是偽隨機數，但是只要選取合適的參數，能夠使得偽隨機數的周期足夠大，能進行白噪聲近似處理。

M序列是一種廣泛應用的偽隨機序列。本原多項式使線性反饋移位寄存器的輸出序列為M序列，可通過查本原多項式系數表得到本原多項式的系數。n級反饋線性移位寄存器的最大周期為：

圖2就是一個本原多項式參數為八進制23的線性反饋移位序列。如果移位寄存器初始狀態為1100，輸出（A4）M序列為：001111010110010

簡單的窄帶噪聲的實現——可以通過M序列產生的偽隨機序列得到的白噪聲再通過一個帶通濾波器實現，噪聲帶寬由加載的濾波器系數決定。

圖2　線性反饋移位示例

RS232是最常用的異步串行通信接口，通信距離一般不超過15m。RS232數據發送規則：（1）在發送有效的數據前會發送一個邏輯“0”，表示數據開始。（2）在結束發送有效數據之后會一直發送邏輯“1”。（3）發送數據是從低比特位向高比特位發送。數據接收方可以在未接收數據的時候一直檢測數據起始標志（從邏輯“1”到邏輯“0”的跳變）來接收有效數據。接收有效數據之后，把參數傳遞給控制字計算模塊，為DDS提供頻率控制字。在RS232通信模塊中加入數據發送部分，方便上位機用指令讀取參數，調試程序。

上位機通過RS232接口發送參數到FPGA，FPGA接收參數后，串口接收模塊把控制參數傳遞到DDS模塊，DDS根據相應的參數計算頻率控制字和相位控制字，輸出對應波形，再經過發射脈沖信號調制、數模轉換、射頻處理得到射頻信號。

結束語

本文針對壓制干擾所涉及的各個方面展開了研究，重點研究了壓制干擾基帶信號的數字產生和數字處理方法，完成了壓制干擾基帶信號的設計以及FPGA實現，通過示波器或ChipScope觀察到FPGA輸出控制參數對應的壓制干擾信號。

致謝

本文受大學生創新訓練項目201410619028資助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.025